大型水电站地下洞室稳定控制设计研究与实践

杨启贵　周述达　周亚峰　陈舞

摘要：针对地下工程建设面临的地下洞室岩溶强发育、软岩分布范围广等突出工程地质问题，以水布垭、构皮滩、彭水等3个水电站地下工程为依托，系统开展了软硬相间地层、软岩及强岩溶等地质条件下大型地下洞室（群）关键技术问题研究。在设计实践中，提出了地下洞室扶壁岩锚复合式吊车梁结构型式“原岩隔墩支撑”结构技术、“超前置换封闭保压”的软岩处理技术、厂房纵轴线与岩层走向呈小交角甚至零度角布置的设计理念以及根据洞周围岩塑性区确定的“分界、分序、分层”的岩溶处理新技术。研究成果有效解决了复杂地质条件下大型地下洞室布置及围岩稳定问题，相关工程均已安全稳定运行，可为类似工程设计和稳定性评价提供一定的理论、方法及技术支撑。

关键词：水电站地下洞室; 洞室稳定; 地下厂房布置; 软岩; 岩溶

中图法分类号： TV61;TV74

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.014

0引 言

目前水电站地下洞室正朝着厂房大跨度、高边墙的方向发展，遭遇的地质条件与赋存环境也越来越复杂。如大朝山、琅琊山、漫湾二期、二滩、明谭、索风营及小浪底等水电站均具有软岩及软硬相间岩层地质特点;索风营、思林、糯租、鲁布革、坪头及乌江渡扩机等地下水电站也均分布着规模不一的岩溶系统等。因此，洞室软岩、岩溶、不利构造、高应力等复杂条件下的洞室稳定控制已成为大型地下水电站的关键技术难题。目前，常规的处理措施大多是基于工程经验及设计规范采取系统支护、预应力锚索、固结灌浆及置换回填等措施。如二滩水电站在第一副厂房外端墙到6号机组部位，分布有绿泥石化玄武岩软弱岩体，主要采取短进尺、弱爆破、及时喷锚支护等常规支护手段处理。明谭水电站洞室区域有7条剪切破碎带或断层，其主要处理措施是顶拱剪切带提前用混凝土或砂浆置换、用预应力锚索进行预加固。索风营地下电站主要采取喷混凝土支护、局部挂网及随机预应力锚索等支护措施处理围岩5条层间错动带等。然而，随着水电站规模及装机容量的扩大，常规的处理措施已经难以满足工程建设的需求。水布垭水电站为软硬岩互层，岩性差，软岩比例高达38.4%，为同类工程之最;构皮滩及彭水水电站岩溶强发育、岩溶系统规模巨大，其他电站工程中也难以见到。因此，本文以水布垭、构皮滩、彭水3个水电站工程为例，阐述在大型地下电站洞室建设过程中提出的稳定控制设计新理念、稳定控制的新结构新技术以及采取的洞室稳定分析的集成创新方法，以便为类似复杂条件下大型地下电站洞室的设计和稳定性评价提供一定的理论、方法及技术支撑。

1软硬相间复杂地层大型地下厂房工程关键技术研究

1.1工程概况

受枢纽布置及地形地质条件限制，水布垭水电站引水发电系统布置于坝址NE30°河段的右岸山体内，地下厂房位于NE30°的水布垭峡谷河段右岸岸坡、张性大断层F2、坝子沟及马崖高边坡所围成的四边岩体中，且有F3张性大断层贯穿其中，地下厂房洞周围岩呈软硬岩互层状。软岩在厂房边墙中占总面积的38.4%，且剪切带发育，规模大，岩石力学性状差[1-5]。为解决上述软硬相间复杂地层问题[4-7]，对洞室群布置及结构优化、软硬处理措施开展了研究，有效解决了水布垭地下电站面临的难题。

1.2扶壁岩锚复合式吊车梁

斜岩台的完整性和承载能力将直接影响岩锚梁的整体稳定性和结构受力。水布垭地下厂房吊车梁轨顶高程为220.00 m，厂内安装有2台600 t桥式起重机，最大轮压75 t，轨道中心外悬度60 cm。上游边墙栖霞组第三段（P1q3）软岩顶板高程为207～221 m，下游边墙软岩顶板高程为210～223 m。斜岩台下部软岩范围大且分布高程变化大，因此，若采用常规岩锚梁吊车梁形式，斜岩台承载能力不仅大大降低，且沉降变形不一致，影响围岩稳定。基于此，考虑利用混凝土支撑体作为吊车梁支承基础，提出一种扶壁岩锚复合式吊车梁的结构型式（见图1），即对上部软岩（P1q3）采取混凝土置换圈梁式超前软岩封闭支撑体結构。该结构兼具岩锚吊车梁和墙（柱）吊车梁的优点，通过用混凝土替代软岩岩层，提高了围岩的完整性和刚度，能够保证上下岩层间力的传递，并利用软岩的围压效应，提高软岩的承压性能，使得围岩变形得到了有效控制。现场桥机静载及动载试验测试结果表明：张拉锚杆最大应力增量为5 MPa，梁体与岩壁间缝面最大开度为0.06 mm，且卸荷后迅速闭合。梁体及支撑墙中典型裂缝的增量为0.02 mm，梁体及支撑墙外观变形量小于0.9 mm，岩体深部变形增量最大0.02 mm，梁体、支撑墙及封闭支撑体结构中钢筋应力水平较低等。测试结果有效验证了扶壁岩锚复合式吊车梁的结构型式是合理、安全的。

1.3地下厂房软岩处理措施研究

1.3.1“超前置换封闭保压”方案

水布垭主厂房边墙中上部分布栖霞组第三段（P1q3）岩层中，7 m范围内集中发育4条剪切带，单条剪切带厚度0.1～1.0 m，累计厚度超过3.0 m，主剪切泥化带岩体的变形模量为0.1～0.2 GPa。常规处理方案是在主厂房开挖到对应高程后，对剪切带进行处理。显然开挖临空后软岩无侧压，将出现明显的压缩挤出变形，导致厂房顶拱及拱座失稳。基于“围压效应”原理，提出一种“超前置换封闭保压”处理方法（见图1），即在主厂房开挖前，沿主厂房周边边墙，在剪切带集中发育带，开挖置换洞，分段对软岩进行混凝土置换封闭保压，形成混凝土“圈梁”预先封闭剪切带，并进行回填灌浆及锚杆、预应力锚索加固。

为验证“超前置换封闭保压”处理方法的有效性，采用大型通用岩土分析软件FLAC3D对置换与不置换的栖霞组第三段（P1q3）岩层进行数值模拟分析。开挖支护模型及置换模拟步序如图2所示。计算结果表明，P1q3段软岩采用混凝土置换、下部岩台表面回填混凝土后，有效减小了相应部位侧墙及隔墩顶面的变形。其中，P1q3段岩层朝主厂房轴线方向的最大水平位移分别由40.07 mm（上游）、45.48 mm（下游）减少至31.12，35.07 mm;岩台顶面的最大回弹变形由110.9 mm减少至50.18 mm，减小幅度达22%～55%。主厂房洞周其他部位的开挖位移值也相应降低，约减小了3.0～10.0 mm。

采用软岩置换及支护措施后，主厂房围岩大部分区域的应力状态与应力量值变化不大，但侧墙部位的拉应力区分布范围明显减少。上部软岩置换与不置换相比，引水隧洞与主厂房上游侧墙交接部位，母线洞、尾水隧洞与主厂房下游侧墙交汇区域，塑性区的延伸范围减少，主厂房顶拱、底板以及岩台等部位的塑性区则变化不明显。

该方法保证了厂房上部围岩的刚度与完整性以及软岩上下层岩体之间的传力，有效防止了软岩压缩挤出变形，保证了软岩岩层的原始受力状态，维持了软岩的承载能力。

1.3.2“原岩隔墩支撑”结构方案

厂房机窝及尾水管部位的栖霞组第1段（P1q1）及马鞍组（P1ma）、黄龙组（C2h）、写经寺（D3x）等地层，总厚度20余m。马鞍组（P1ma）和黄龙组（C2h）剪切带发育。其中的黄龙剪切带（F205）厚度達5～12 m，主要由碎裂岩构成，胶结差，强度低，整体岩石类别为Ⅳ～Ⅴ类。厂房全断面挖至底板时，围岩变形大，底板回弹隆起，洞室安全难以保证。基于“能量平衡”和“围压效应”原理，提出一种“保留支撑隔墩并进行超前综合加固”的综合处理方法，即保留软岩支撑隔墩，并对其进行超前固结灌浆、锚筋桩和钢筋混凝土压重板等超前综合加固处理（见图3），充分利用隔墩岩体的刚度及强度来限制边墙变形和软岩底板回弹，保证主厂房洞室稳定。

数值计算结果表明：保留“原岩隔墩”后，上、下游侧墙水平位移明显减少，较不保留情况减少了24.9%，洞周各关键点位移降低了15.0%～25.0%。同时主厂房与引水隧洞、尾水隧洞交叉口的应力发生明显改善，塑性区深度明显减小。上述研究成果表明，保留尾水管间岩墩、进行超前固结灌浆、实施锚桩加固并设置混凝土压重板的综合处理措施是有效的。

2岩溶强发育地区大型地下厂房工程关键技术研究

2.1工程概况

（1） 构皮滩水电站。

构皮滩水电站单机容量600 MW，共5台机组，总装机容量3 000 MW。单机额定流量375 m3/s，电站额定水头175.5 m。电站具有单机容量和额定水头大、输水线路长、尾水变幅大等特点。主厂房局部地段有规模较大的岩溶洞穴发育（见图4），主要有W24岩溶系统的主干管道及其旁侧沿NW、NWW向断裂发育的岩溶宽缝、P1m1-1层顺层风化溶滤带（K10）及沿NW断裂发育的溶洞K2、K11等，严重影响地下厂房洞室群施工[8-12]。

（2） 彭水水电站。

彭水水电站主厂房洞室尺寸为252.0 m×30.0 m×78.5 m（长×宽×高），主厂房上游侧的O1n5岩层中发育有KW51岩溶系统，主要沿C4夹层顺层发育，岩溶规模较大，地下水丰富。在主厂房下游侧的ε3m2-2岩层发育有W84热水岩溶系统，属深循环热水与浅层水混合岩溶系统，顺层发育，岩溶规模较大，地下水丰富（见图5）。建设过程中面临岩溶系统处理、地下洞室群布置、顺层陡倾岩层稳定等重大难题[13-16]。

2.2厂房纵轴线与岩层走向小交角设计研究

岩溶系统常规处理方式通常分为两种：规避岩溶和采取工程措施处理岩溶。彭水水电站厂房中KW51及W84最大洞穴达数万方，W84中还存在较大的深循环温泉，水温较高，若采取工程措施处理岩溶，代价极高。由于位于陡倾角岩层，岩溶顺层发育，因此，采用规避岩溶方式，可以较好地避开主要岩溶的影响。根据SL 266-2014《水电站厂房设计规范》：洞室轴线宜与围岩的主要构造弱面（断层、节理、裂隙、层面等）呈较大的夹角。结合彭水地下电站厂区的地质条件，当厂房轴线与岩层走向呈较大夹角时，存在局部块体稳定以及岩溶水渗透问题，极不利于厂房的围岩稳定。因此，考虑将厂房轴线与岩层走向呈0°夹角布置，虽然对洞室的开挖、支护及监测工作要求有所提高，但能保证厂房洞室群的稳定性，且具备较好的防渗条件，经济性较好，彭水水电站主厂房与岩层走向布置如图6所示。

彭水地下厂房施工中厂房典型的实测变形曲线如图7所示，厂房洞周围岩随着厂房的开挖，逐渐趋于稳定，有效验证了厂房轴线与岩层走向呈0°夹角布置设计的可行性、有效性。

2.3岩溶处理范围与处理措施研究

构皮滩水电站W24岩溶系统揭露区域分支管道及落水井、塌陷坑槽达17条之多，加分支管道延伸长度超过1 300 m，高差超过130 m，已贯穿以三大洞室为主体的整个大型地下洞室群（见图8），共穿越引水发电系统区域22条洞室。已揭露溶洞最大断面为380 m2、最大高度达42.14 m，最大宽度达16 m，岩溶空腔体积达12.3万m3，汛期最大涌水量达7 000 m3/d，最大突发涌水超过2万m3/h，最大突发涌泥超过3 000 m3/次。洞室周边岩溶洞穴严重影响到洞室的稳定，而且处理难度大，周期长。

2.3.1基于塑性区的岩溶处理范围确定

以往水电站地下厂房岩溶管道往往凭工程经验进行处理。众所周知，塑性区围岩应力状态复杂，所在范围是安全裕度较低的区域，也是洞室围岩重点加固的对象。若塑性区范围内的岩溶洞穴不进行处理，可能导致该部位的围岩长期处于应力松弛状态，不利于洞室围岩稳定，而处于塑性区外的岩溶对洞室围岩的稳定性影响较小。基于此，提出一种基于塑性区的岩溶处理范围确定方法，即以岩溶管道是否位于洞周围岩塑性区内作为标准确定处理范围（见图9）。该方法将岩溶管道处理范围确定原则从工程经验宏观判断方法提升到量化判断方法，为量化岩溶处理范围提供了理论依据。

2.3.2岩溶处理措施研究

岩溶洞穴主要采取“分界、分序、分层”清理回填，支撑加固、引排清挖、超前排水、封闭施工、密切追踪、加强监测等措施进行综合处理。

（1） “分界、分序、分层” 清理回填。

规模较大的溶洞，优先回填处理洞周附近，随开挖层的支护同步完成，并预留通道，后期处理，如图10所示。

（2） 支撑加固。

若岩溶邻近洞室边墙或出露于边墙，为防止回填混凝土与裂隙、断层、层间错动等不利结构面形成不稳定块体或潜在不稳定块体，根据溶洞部位和规模，及时通过锚杆及预应力锚索，采用悬吊加固、支挡加固、梁式加固等方式进行处理。

（3） 引排清挖。

有针对性地布置深孔或超前导孔，使涌水涌泥有控制的释放。根据现场实际情况，按“高水高排，低水低排，就近引排”的原则，将帷幕区域的岩溶水拦截到厂区外引排。厂房区内岩溶水通过排水管、预留通道等引至厂房、主变洞、调压室、交通洞、排水廊道等引排，避免涌水现象。岩溶系统回填前，对溶洞填充物进行清理，避免涌泥现象。

（4） 超前排水，封闭施工。

利用前期实施的排水廊道、交通洞、主变洞Ⅰ层、主厂房中导洞、施工支洞和W24低高程追挖支洞等，截断主管道来水，保证地下厂房主要洞室在封闭条件下施工。

（5） 密切追踪，加强监测。

施工期通过“边施工，边追探”的施工期勘探方式来密切追踪探明岩溶系统的分布及发育情况，并加强监测，及时调整处理方案。

3结 论

本文依托水布垭、构皮滩、彭水3个地下电站工程，阐述了大型地下电站洞室稳定控制设计及新技术研究，主要结论如下：

（1） 创新性地提出了一种利用混凝土支撑体作为吊车梁支承基础的扶壁岩锚复合式吊车梁的结构型式，该结构兼具岩锚吊车梁和墙（柱）吊车梁的优点，解决了边墙软硬相间复杂地层引起的岩锚梁沉降变形问题。

（2） 提出了“超前置换封闭保压”的软岩处理新技术。根据“围压效应”原理，在厂房开挖之前，通过混凝土置换，在厂房边墙软岩部位形成封闭圈梁（置换体），保持软岩围压，维持软岩的承载能力，解决了地下厂房边墙软岩承载及洞室大变形难题。

（3） 提出了“原岩隔墩支撑”结构新技术。根据“能量平衡”及“能量转移”原理，提出地下厂房下部采用掏槽开挖，保留尾水管间的原岩岩墩，既可降低地下厂房全断面开挖的高度，限制底板回弹，还可对边墙起支撑作用，为大跨度、高边墙地下厂房洞室稳定控制提供了一种新的方法。

（4） 当地下厂房布置遭遇强岩溶等重大缺陷时，将厂房纵轴线与岩层走向呈小交角、甚至零度角布置的设计理念，突破了现行规范的限制，增加了地下厂房布置的技术灵活性，提高了电站工程的技术可行性和经济性。彭水地下电站的应用，成功避让了大型岩溶系统和深循环温泉水，解决了地下厂房布置的难题。

（5） 提出了根据洞周围岩塑性区确定岩溶处理范围，以及“分界、分序、分层”的岩溶处理新技术，实现了岩溶处理范围确定从定性到定量的跨越，为岩溶等地质缺陷处理提供了新标准和新思路。

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（编辑：郑 毅）